За брза кохерентна комуникација, компактен оптоелектронски IQ модулатор базиран на силициум

Компактна оптоелектронска технологија базирана на силициумIQ модулаторза брза кохерентна комуникација
Зголемената побарувачка за повисоки брзини на пренос на податоци и енергетски поефикасни примопредаватели во центрите за податоци го поттикна развојот на компактни високо-перформансниоптички модулаториОптоелектронската технологија базирана на силициум (SiPh) стана ветувачка платформа за интегрирање на различни фотонски компоненти на еден чип, овозможувајќи компактни и економични решенија. Оваа статија ќе истражи нов силициумски IQ модулатор со потиснат носител, базиран на GeSi EAM, кој може да работи на фреквенција до 75 Gbaud.
Дизајн и карактеристики на уредот
Предложениот IQ модулатор користи компактна структура со три крака, како што е прикажано на Слика 1 (а). Составен е од три GeSi EAM и три термооптички фазни менувачи, со симетрична конфигурација. Влезната светлина е поврзана со чипот преку решеткаст спојувач (GC) и рамномерно поделена на три патеки низ 1×3 мултимоден интерферометар (MMI). По минување низ модулаторот и фазниот менувач, светлината се рекомбинира со друг 1×3 MMI, а потоа се поврзува со едномодно влакно (SSMF).


Слика 1: (a) Микроскопска слика на IQ модулатор; (b) – (d) EO S21, спектар на однос на екстинкција и трансмисија на еден GeSi EAM; (e) Шематски дијаграм на IQ модулаторот и соодветната оптичка фаза на фазниот поместувач; (f) Претставување на супресија на носителите на комплексната рамнина. Како што е прикажано на Слика 1 (b), GeSi EAM има широк електрооптички пропусен опсег. Слика 1 (b) го измери параметарот S21 на една тест структура на GeSi EAM користејќи оптички анализатор на компоненти (LCA) од 67 GHz. Сликите 1 (c) и 1 (d) соодветно ги прикажуваат спектрите на односот на статичка екстинкција (ER) при различни DC напони и трансмисијата на бранова должина од 1555 нанометри.
Како што е прикажано на Слика 1 (e), главната карактеристика на овој дизајн е можноста за потиснување на оптичките носачи со прилагодување на интегрираниот фазен поместувач во средната рака. Фазната разлика помеѓу горните и долните краци е π/2, што се користи за комплексно подесување, додека фазната разлика помеѓу средната рака е -3 π/4. Оваа конфигурација овозможува деструктивна интерференција на носачот, како што е прикажано на комплексната рамнина на Слика 1 (f).
Експериментална поставеност и резултати
Експерименталната поставеност со голема брзина е прикажана на Слика 2 (а). Генератор на произволни бранови форми (Keysight M8194A) се користи како извор на сигнал, а два фазно усогласени RF засилувачи од 60 GHz (со интегрирани T-јазли за поларизација) се користат како модулаторски драјвери. Напонот на поларизација на GeSi EAM е -2,5 V, а фазно усогласен RF кабел се користи за да се минимизира електричното фазно несовпаѓање помеѓу I и Q каналите.
Слика 2: (a) Експериментална поставеност со голема брзина, (b) Супресија на носители на 70 Gbaud, (c) Стапка на грешки и брзина на пренос на податоци, (d) Констелација на 70 Gbaud. Користете комерцијален ласер со надворешна шуплина (ECL) со ширина на линија од 100 kHz, бранова должина од 1555 nm и моќност од 12 dBm како оптички носител. По модулацијата, оптичкиот сигнал се засилува со помош назасилувач со влакна допиран со ербиум(EDFA) за компензација на загубите на спојување на чипот и загубите на вметнување на модулаторот.
На приемниот крај, оптичкиот спектрален анализатор (OSA) го следи спектарот на сигналот и потиснувањето на носачот, како што е прикажано на Слика 2 (б) за сигнал од 70 Gbaud. За прием на сигнали користете кохерентен приемник со двојна поларизација, кој се состои од оптички миксер од 90 степени и четири40 GHz балансирани фотодиоди, и е поврзан со осцилоскоп во реално време (RTO) од 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Вториот ECL извор со ширина на линијата од 100 kHz се користи како локален осцилатор (LO). Поради тоа што предавателот работи под услови на единечна поларизација, се користат само два електронски канали за аналогно-дигитална конверзија (ADC). Податоците се снимаат на RTO и се обработуваат со помош на офлајн дигитален процесор за сигнали (DSP).
Како што е прикажано на Слика 2 (c), IQ модулаторот беше тестиран со користење на QPSK модулациски формат од 40 Gbaud до 75 Gbaud. Резултатите покажуваат дека под услови на корекција на грешка при тврда одлука (HD-FEC) од 7%, брзината може да достигне 140 Gb/s; Под услови на корекција на грешка при мека одлука (SD-FEC) од 20%, брзината може да достигне 150 Gb/s. Дијаграмот на констелација на 70 Gbaud е прикажан на Слика 2 (d). Резултатот е ограничен од пропусниот опсег на осцилоскопот од 33 GHz, што е еквивалентно на пропусен опсег на сигнал од приближно 66 Gbaud.


Како што е прикажано на Слика 2 (б), структурата со три крака може ефикасно да ги потисне оптичките носачи со стапка на пригушување што надминува 30 dB. Оваа структура не бара целосно потиснување на носачот и може да се користи и кај приемници на кои им се потребни тонови на носачот за да се вратат сигналите, како што се приемниците Kramer Kronig (KK). Носачот може да се прилагоди преку централен фазен менувач на раката за да се постигне посакуваниот однос на носачот кон страничниот опсег (CSR).
Предности и апликации
Во споредба со традиционалните Мах-Цендерови модулатори (MZM модулатори) и други оптоелектронски IQ модулатори базирани на силициум, предложениот силициумски IQ модулатор има повеќе предности. Прво, тој е компактен по големина, повеќе од 10 пати помал од IQ модулаторите базирани наМах-Цендерови модулатори(со исклучок на лепливите влошки), со што се зголемува густината на интеграција и се намалува површината на чипот. Второ, дизајнот на наредени електроди не бара употреба на терминални отпорници, со што се намалува капацитетот и енергијата по бит на уредот. Трето, можноста за потиснување на носителите го максимизира намалувањето на моќноста на преносот, дополнително подобрувајќи ја енергетската ефикасност.
Покрај тоа, оптичкиот пропусен опсег на GeSi EAM е многу широк (над 30 нанометри), елиминирајќи ја потребата од повеќеканални кола за контрола на повратна информација и процесори за стабилизирање и синхронизација на резонанцата на микробрановите модулатори (MRM), со што се поедноставува дизајнот.
Овој компактен и ефикасен IQ модулатор е многу погоден за следната генерација, со голем број канали и мали кохерентни примопредаватели во центри за податоци, овозможувајќи поголем капацитет и енергетски поефикасна оптичка комуникација.
Модулаторoт IQ од силикон со потиснување на носач покажува одлични перформанси, со брзина на пренос на податоци до 150 Gb/s под услови на 20% SD-FEC. Неговата компактна структура со 3 крака базирана на GeSi EAM има значајни предности во однос на големината, енергетската ефикасност и едноставноста на дизајнот. Овој модулатор има способност да го потисне или прилагоди оптичкиот носач и може да се интегрира со кохерентна детекција и шеми за детекција на Крамер Крониг (KK) за повеќелиниски компактни кохерентни примопредаватели. Демонстрираните достигнувања ја поттикнуваат реализацијата на високо интегрирани и ефикасни оптички примопредаватели за да се задоволи растечката побарувачка за комуникација на податоци со висок капацитет во центри за податоци и други области.


Време на објавување: 21 јануари 2025 година